凹凸棒土對紙漿中壓敏膠留著率的影響

高慶春 程金蘭 杜書蘭 姚開扣

摘要：本研究主要以漂白針葉木漿、廢舊瓦楞紙箱（OCC）漿為纖維原料，壓敏膠為研究對象，將壓敏膠與漿料混合后再加入凹凸棒土及陽離子聚合物（P）抄造手抄片，研究了凹凸棒土對壓敏膠留著率及其對紙張強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，凹凸棒土不僅有助于減輕壓敏膠的粘缸危害，也有助于壓敏膠在紙張中的留著。當(dāng)凹凸棒土用量為5%時(shí)（對絕干漿），針葉木漿中壓敏膠的留著率高達(dá)99.9%，OCC漿紙張的抗張指數(shù)增加了5.4%。

關(guān)鍵詞：凹凸棒土；壓敏膠；留著率；強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TS7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.08.006

近年來，隨著廢紙回收利用的增多[1]，廢紙漿中膠黏物的去除已成為學(xué)者研究的重點(diǎn)[2]。壓敏膠作為一種常用的膠黏劑，在包裝、書籍裝訂、不干膠、膠帶紙等方面有較多的應(yīng)用[3]，其化學(xué)組成主要為樹脂和橡膠，是廢紙回用膠黏物問題的重要來源之一。

在造紙工業(yè)的原料結(jié)構(gòu)中，填料的用量僅次于纖維，其中較常用的有滑石粉、碳酸鈣、高嶺土、二氧化鈦等礦物粉體[4-5]。填料的加填是為了改善紙張的性能，如白度、平滑度等，礦物粉體改性后也可以提高在造紙紙漿的留著率[6-8]。

凹凸棒土是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸黏土礦物，其理論化學(xué)式為Si8Mg5O20（OH）2（H2O）4·4H2O[9]。凹凸棒土的土質(zhì)細(xì)膩，有油脂滑感，密度較小，約為1.6，摩氏硬度2～3級(jí)。凹凸棒土礦物幾乎遍及世界各地，其中我國儲(chǔ)量最大[10]。凹凸棒土的顯微結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)層次：①是棒狀或纖維狀的單晶體——棒晶；②是由棒晶緊密平行聚集而成的棒晶束；③是由棒晶束和棒晶相互聚集而成的各種聚集體[11]。這種天然納米纖維結(jié)構(gòu)和豐富的硅羥基對植物纖維有很強(qiáng)的親和力，能夠與植物纖維交織形成良好的纖維網(wǎng)絡(luò)，在有效增強(qiáng)紙張強(qiáng)度方面比同為纖維狀的硅灰石和硅酸鋁效果更好[12-14]。凹凸棒土有巨大的表面積，優(yōu)異的吸附性能，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、廢水處理等行業(yè)[15-17]，若將其添加于紙漿中，對漿中的各組分也會(huì)有很好的吸附性。近年來，凹凸棒土在造紙行業(yè)中的應(yīng)用也有了初步的研究，主要方向用作做填料，留著率比一般填料高，但凹凸棒土的價(jià)格比常用的造紙?zhí)盍细?，因此，并不占?yōu)勢。目前，國內(nèi)有關(guān)凹凸棒土對紙漿中壓敏膠的作用研究尚未見報(bào)道，本研究通過使用凹凸棒土來降低紙張中壓敏膠等膠黏物帶來的危害，以便對凹凸棒土進(jìn)行高附加值利用。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

漂白硫酸鹽針葉木漿板，由金東紙業(yè)（江蘇）股份有限公司提供；國產(chǎn)廢舊瓦楞紙箱（OCC）；商品標(biāo)簽紙（碎解后作壓敏膠使用）；壓敏膠，白色乳液狀，平均粒徑為193 nm，由南京林業(yè)大學(xué)化工學(xué)院膠黏劑研究室提供；凹凸棒土，白色固體超細(xì)粉末，平均粒徑811 nm，由南京亞東礦業(yè)有限公司提供；滑石粉，平均粒徑1618 nm；陽離子聚合物（P），由金東紙業(yè)（江蘇）股份有限公司提供。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

本研究使用的儀器如表1所示。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1漿料準(zhǔn)備

將漂白硫酸鹽針葉木漿板撕成小塊，浸泡過夜后，按TAPPI T 200 sp-01，用Valley打漿機(jī)打漿至40°SR左右，用脫水機(jī)擠去水分，將制得的針葉木漿放冰箱冷藏備用。將OCC先用水力碎漿機(jī)碎漿5 min，碎漿濃度10%，再用Valley打漿機(jī)疏解20 min，制得OCC漿，打漿度為45°SR。 標(biāo)簽紙用九陽料理機(jī)進(jìn)行碎解，碎解濃度5%，制得標(biāo)簽紙漿。

1.3.2壓敏膠留著率測定

（1）配制梯度濃度的壓敏膠乳液，用2100Q IS濁度儀測定其濁度，繪制壓敏膠濃度與濁度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

（2）將500 mL濃度為1%的針葉木漿與一定量的壓敏膠（絕干質(zhì)量為M）進(jìn)行混合，倒入真空抽吸動(dòng)態(tài)濾水儀中攪拌均勻，其中濾水儀網(wǎng)目為80目，轉(zhuǎn)速為750 r/min，收集前100 mL濾液。

（3）將上述濾液離心處理，轉(zhuǎn)速10000 r/min，離心30 min，取上清液測其濁度。根據(jù)圖1中壓敏膠濁度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線推算其濃度C，壓敏膠留著率（R）的計(jì)算如公式（1）所示。

1.3.3標(biāo)簽紙漿膠黏物黏附量測定

將標(biāo)簽紙漿按不同用量（5%、10%、15%、20%）與針葉木漿均勻混合，采用RK-2A快速抄片機(jī)抄造手抄片，將預(yù)先干燥并稱質(zhì)量的鋁箔覆蓋于成形后的濕手抄片上，用羊毛滾筒壓平，轉(zhuǎn)移至抄片器的干燥部中真空干燥，干燥后手工將鋁箔與手抄片分離，稱取此時(shí)鋁箔的質(zhì)量，按公式（2）計(jì)算膠黏物的黏附量（m），精確到0.0001 g。

1.3.4紙張強(qiáng)度測定

將針葉木漿和OCC漿中分別添加壓敏膠、陽離子聚合物（P），再加凹凸棒土后，采用RK-2A快速抄片機(jī)抄造手抄片，定量為70 g/m2，采用WZL-300紙張拉力儀進(jìn)行紙張強(qiáng)度測定，研究凹凸棒土對含壓敏膠針葉木漿和OCC漿紙張強(qiáng)度的影響。

2結(jié)果與討論

2.1不同凹凸棒土用量對壓敏膠留著率的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，廢紙制漿時(shí)經(jīng)過熱分散處理，使?jié){中的熱熔膠、壓敏膠、塑料片、油墨顆粒等雜質(zhì)在高溫下軟化并分散成極微小的顆粒，與纖維均勻混合，從而完成漿料的熱分散。標(biāo)簽紙漿中除了壓敏膠，還有涂布膠乳，以及其他一些造紙化學(xué)品，為了進(jìn)一步減少標(biāo)簽紙漿中其他組分對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，采用分散良好的壓敏膠乳模擬標(biāo)簽紙漿回用時(shí)的壓敏膠。將壓敏膠乳與針葉漿混合進(jìn)行壓敏膠留著率和對成紙物理性能影響的研究。使用不同用量的凹凸棒土對含10%壓敏膠的漿料進(jìn)行處理后，壓敏膠在漿料中的留著結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，壓敏膠本身在漿料中的留著率不高，壓敏膠呈負(fù)電性，跟同樣帶負(fù)電性的纖維結(jié)合力弱，而且壓敏膠乳液粒徑小，容易通過濾網(wǎng)流失。添加凹凸棒土后，留著率大幅提升，在凹凸棒土用量為5%（對絕干漿，以下同）時(shí)，紙漿中壓敏膠的留著率最高達(dá)到99.9%，對比未加入凹凸棒土的空白組，留著率增加超過7.5倍。這表明，在凹凸棒土用量為5%時(shí)，凹凸棒土能有效吸附或包裹住壓敏膠等雜質(zhì)，并通過自身羥基與纖維的氫鍵結(jié)合使得膠黏物留存在紙漿當(dāng)中，可以增加白水潔凈度，提高白水回收利用率。

2.2不同礦物粉體對壓敏膠留著率的影響

滑石粉除作填料外，也常被應(yīng)用于二次纖維造紙中的樹脂控制劑，降低漿料中膠黏物的干擾[18]。本研究采用滑石粉作為對照，分析凹凸棒土對壓敏膠的留著效果。為避免其他雜質(zhì)對實(shí)驗(yàn)的干擾，本研究在針葉木漿中加入10%的壓敏膠以及陽離子聚合物（P）（漿+膠+P，作為對照組），然而再分別加入5%凹凸棒土或10%的滑石粉進(jìn)行對比分析。壓敏膠留著率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖 3不同填料對壓敏膠留著率的影響

由圖3可以看出，添加凹凸棒土的針葉木漿中壓敏膠的留著率略高于對照組，遠(yuǎn)高于添加滑石粉的。一方面是因?yàn)榘纪拱敉梁蛪好裟z之間的結(jié)合力可能大于滑石粉和壓敏膠之間的結(jié)合力，另一方面是因?yàn)閴好裟z帶負(fù)電性，添加陽離子聚合物（P）后，可以大大提高壓敏膠在同樣帶負(fù)電的纖維表面的吸附，有效提升壓敏膠的留著率。另外，添加陽離子聚合物（P）后，漿料中的細(xì)小組分被保留下來，同樣增加了留著率。因此，相對于滑石粉的片狀結(jié)構(gòu)，凹凸棒土的纖維狀結(jié)構(gòu)更容易與纖維結(jié)合，形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，留存于漿料中。

2.3凹凸棒土對標(biāo)簽紙漿膠黏物黏附性能的影響

將標(biāo)簽紙漿按5%、10%、15%、20%的用量與針葉木漿混合均勻，加入0.02%的陽離子聚合物（P），再添加5%的凹凸棒土抄造手抄片，以此作為實(shí)驗(yàn)組，不添加凹凸棒土作為對照組，膠黏物黏附量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，膠黏物的黏附量隨標(biāo)簽紙漿用量的增加而增加，在含標(biāo)簽紙漿的針葉木漿中添加凹凸棒土后，膠黏物的黏附量均有所下降，其中，在標(biāo)簽紙漿用量為15%～20%時(shí)，下降最多，近50%，這表明凹凸棒土對壓敏膠膠黏物有一定的控制作用。

2.4凹凸棒土對含壓敏膠針葉木漿強(qiáng)度的影響

采用針葉木漿為纖維原料，加入0.02%的陽離子聚合物（P），按照1%、2%、5%的不同用量添加壓敏膠后，再添加5%的凹凸棒土作為實(shí)驗(yàn)組抄造手抄片，對照組則不添加凹凸棒土。手抄片恒溫恒濕24 h后進(jìn)行紙張強(qiáng)度測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知，當(dāng)壓敏膠用量為1%時(shí)，加入凹凸棒土后，紙張的抗張指數(shù)下降了12.0%，當(dāng)壓敏膠用量分別為2%和5%時(shí)，紙張的抗張指數(shù)分別下降了2.9%和2.3%。這主要是因?yàn)榘纪拱敉翆好裟z顆粒有包裹作用，減少了壓敏膠對纖維的黏結(jié)作用，從而降低了紙張抗張指數(shù)。

2.5凹凸棒土對含壓敏膠OCC漿強(qiáng)度的影響

采用OCC漿為纖維原料，加入5%的壓敏膠以及0.02%的陽離子聚合物（P）后再分別加入2.5%和5%的凹凸棒土抄造手抄片，手抄片恒溫恒濕24 h后進(jìn)行紙張強(qiáng)度測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由于OCC漿本身含有膠黏物等雜質(zhì)，當(dāng)加入壓敏膠后紙張強(qiáng)度還是略有提升，增加了2.50%。這是因?yàn)閴好裟z起到了黏結(jié)纖維、增加紙張強(qiáng)度的作用，在不引起粘缸等危害的前提下，可加以保留。由圖6可以看出，在加入2.5%凹凸棒土后，紙張的抗張指數(shù)增加了3.6%，在加入5%凹土棒土后，紙張的抗張指數(shù)增加了5.4%。這表明凹凸棒土對OCC漿紙張強(qiáng)度均有所提升，但效果不明顯。

3結(jié)論

3.1當(dāng)凹凸棒土的用量為5%時(shí)，針葉漿中壓敏膠的留著率達(dá)到99.92%，凹凸棒土對針葉漿中壓敏膠的留著率有提升作用，且效果優(yōu)于滑石粉。

3.2含壓敏膠的針葉木漿添加不同用量凹凸棒土后，手抄片的抗張指數(shù)有所下降，當(dāng)壓敏膠用量為1%、2%和5%時(shí)，其抗張指數(shù)分別下降12.0%、2.9%和2.3%。

3.3含壓敏膠和陽離子聚合物的OCC漿中加入凹凸棒土，可以提高紙張的強(qiáng)度，但效果不明顯。

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（責(zé)任編輯：吳博士）